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Die Auswahl des richtigen Objektivs für Bildverarbeitungsanwendungen

Die Qualität des erzeugten Bildmaterials entscheidet darüber, ob ein industrielles Bildverarbeitungssystem dazu in der Lage ist, zuverlässige Messungen durchzuführen. Dabei spielt die Auswahl des geeigneten Objektivs bzw. die passende Kombination der optischen Komponenten eine ausschlaggebende Rolle und beeinflusst Faktoren wie die mögliche Geschwindigkeit, Messgenauigkeit, Wiederholbarkeit und Zuverlässigkeit der nachfolgenden Auswertung.

In den meisten industriellen Applikationen werden Festbrennweitenobjektive mit fixem Mindestarbeitsabstand (MOD) eingesetzt, da dieser Parameter meist unveränderlich bleibt. Da sie für einen definierten Aufbau gewählt wurden, liefern sie dafür die beste Qualität. Alternativ gibt es Festbrennweitenobjektive mit Fokussiereinheit, bei denen der MOD geringfügig variiert werden kann. Aufgrund der festen Brennweite verfügen diese Objektive über einen verhältnismäßig statischen Vergrößerungsbereich. Für eine erhöhte Stabilität sorgen Metallgehäuse, die für den allergrößten Teil der Bildverarbeitungsobjektive Standard sind.

Grundsätzliche Überlegungen bei der Objektivwahl

Die Wahl des richtigen Objektivs ist direkt abhängig vom Sensor der verwendeten Kamera. Dabei sind in Bezug auf die Optikauswahl vor allem die Parameter Chipgröße und Pixelgröße von Bedeutung. Das Objektiv muss in der Lage sein, die komplette Sensorfläche auszuleuchten, um Vignettierungen (Abschattungen) im Bild zu vermeiden. Zudem muss das Objektiv in der Lage sein, die Pixelgröße aufzulösen. Je besser die optische Auflösung des Objektivs, desto feinere Strukturen können übertragen werden. Ein Maß für die optische Qualität ist dabei die sogenannte Modulationstransferfunktion (MTF) des entsprechenden Objektivs. Sie beschreibt mathematisch den Vergleich zwischen dem Detailkontrast an den Kanten eines Objektes und dem Detailkontrast von dessen bildlicher Darstellung. Um ein Detail am Objekt auflösen zu können und eine eindeutige Kantenerkennung zu gewährleisten, sollte dieses Detail auf ca. 4 Pixel abgebildet werden.

Somit hängt der benötigte Abbildungsmaßstab direkt von der gewünschten Objektauflösung bzw. der Pixelgröße ab. Eine perfekte Linse würde ein Bild erzeugen, das dem Objekt inklusive aller Details und Helligkeitsschwankungen exakt entspricht. In der Praxis ist dies jedoch nicht möglich, da eine Linse wie ein Tiefpassfilter wirkt. Die Abschwächung einer gegebenen Frequenz oder eines Details wird mittels der MTF klassifiziert (Abbildung 1). Bei jeder Linse gibt es einen Punkt, an dem der Kontrast den Wert Null erreicht. Diese Grenze wird als Auflösungsgrenze bezeichnet und üblicherweise in Linienpaaren pro Millimeter (lp/mm) angegeben. Das Spektrum an Sensorformaten und Auflösungen von Bildverarbeitungskameras ist enorm, und zusammen mit der Fülle an Anwendungsmöglichkeiten, ergibt sich eine große Auswahl an Objektiven, einschließlich Spezialobjektiven.

Die gebräuchlichsten Objektivarten

Der gebräuchlichste Typ von Objektiven für Sensoren mit einer Auflösung von weniger als einem Megapixel sind die Universalobjektive, die in festen Standardbrennweiten von 4,5 bis 100 mm zur Verfügung stehen. Diese Objektive sind für eine unendliche Fokussierung optimiert und weisen je nach Hersteller eine MTF von 70 bis 90 lp/mm mit geringer Verzeichnung und Vignettierung auf. Objektive mit kürzeren Brennweiten erzeugen normalerweise Bilder mit Fischaugeneffekt.

  • Präzisionsobjektive, die hochauflösenden Versionen der Standardobjektive, bieten verglichen mit diesen ausgezeichnete Abbildungsleistungen. Normalerweise sind Präzisionsobjektive für Brennweiten bis 75 mm mit einer MTF über 120 lp/mm und sehr geringer Verzeichnung (<0,1%) verfügbar. Sie eignen sich besonders für Kameras mit kleinen Pixeln und für präzise Messtechnikaufgaben.

  • Makroobjektive sind speziell für kleine Objektfelder geeignet, die in etwa der Größe des Kamerasensors entsprechen. Makroobjektive werden hinsichtlich ihrer Vergrößerung in Relation zum Kamerasensor eingestuft und sind für die Fokussierung bei Nahaufnahmen optimiert. Obgleich sie über sehr gute MTF-Eigenschaften und eine vernachlässigbare Verzeichnung verfügen, sind sie weniger flexibel, da es nicht möglich ist, die Vergrößerung oder den Arbeitsabstand zu ändern.

  • Am anderen Ende der Skala befinden sich die großformatigen Objektive. Diese werden benötigt, wenn die Maße eines Kamerasensors die Abmessungen überschreiten, die mit C-Mount-Objektiven erfasst werden können. Häufig sind sie modular aufgebaut und müssen aus verschiedensten Komponenten wie Adaptern, Schneckengängen oder Zwischenringen zusammengesetzt werden. Großformatige Objektive werden meist in Zeilenkameraanwendungen eingesetzt.

  • Telezentrische Objektive eignen sich speziell für Messanwendungen, da sich mit ihnen geometrische Verzerrungen und Maßabweichungen bei den Aufnahmen vermeiden lassen. Bei diesen Objektiven kommen nur achsparallele Lichtstrahlenbündel zur Abbildung. Dies führt zu einer gleichmäßigen, vom Objektabstand unabhängigen Vergrößerung ohne perspektivische Verzerrung. Wegen des parallelen Strahlengangs muss die freie Apertur der Frontlinse des telezentrischen Objektivs mindestens den gleichen Durchmesser haben wie das Objektfeld. Dadurch sind Objektive für große Objektfelder entsprechend groß und damit verhältnismäßig teuer.

Elektrisch ansteuerbare Flüssiglinsen

Eine der besonders interessanten Entwicklungen im Bereich der Objektive sind die elektrisch ansteuerbaren Flüssiglinsen. Diese formverändernden Linsen bestehen aus einer dünnen, elastischen Polymer-Membran, in der sich eine Flüssigkeit befindet (Abbildung 2). Mithilfe eines stromgesteuerten Aktuators, der von außen die Flüssigkeit ins Linseninnere presst und damit ihre Krümmung verändert, können extrem kurzen Antwortzeiten im Millisekundenbereich erreicht werden. Besonders hilfreich sind die flexiblen Linsen in Anwendungen, in denen eine sehr schnelle Fokusanpassung erforderlich ist, beispielsweise beim Inspizieren von Kartons unterschiedlicher Größe auf Förderbändern. Dieses einzigartige Prinzip ermöglicht die Umsetzung schnellerer und kompakterer optischer Systeme ohne komplexe Mechanik. Eine beeindruckende mittlere Betriebsdauer zwischen Ausfällen (MTBF) von mehr als einer Milliarde Bewegungen zeugt von einer sehr langen Lebensdauer, da nur sehr wenige bewegliche Teile im Einsatz sind. Weitere attraktive Anwendungsgebiete sind außerdem die 3D-Mikroskopie wie auch Überwachungsaufgaben.

360˚-Objektive

Aufnahmen von komplexen Objektformen erfordern mehr als eine Kamera. 360˚-Objektive nutzen eine innovative optische Konstruktion von Linsen und Spiegeln, die unter Einsatz möglichst weniger Kameras Aufnahmen von allen Seiten eines Objekts ermöglicht. Diese Objektive eignen sich für die Inspektion von Oberseiten und Außenflächen von Objekten oder für Loch- und Hohlrauminspektionen. Zudem lassen sich verschiedene Seitenansichten eines Objekts zu einem Kamerabild zusammensetzen. Diese Technologie wird in einer Vielzahl von Branchen eingesetzt wie z.B. in der Getränkeindustrie, sowie im Pharmabereich und in der Automobilindustrie.

Zylindrische Objekte wie z.B. Flaschen, Gläser, Batterien oder Bolzen lassen sich mit speziellen perizentrischen Objektiven abbilden. Durch den spezifischen Strahlengang des Lichts durch die Linse wird das Licht von dem Teil des Objekts, das der Linse am nächsten liegt, in der Mitte des Kamerasensors abgebildet, während das Licht der weiter entfernt liegenden Teile auf die kurze Seite des Kamerasensors abgebildet werden. Somit ermöglichen perizentrische Objektive eine gleichzeitige Drauf- und Seitenansicht eines Objekts (Abbildung 3). Eine häufige Anwendung in der Getränke- und Pharmaindustrie ist die Inspektion von Flaschenverschlussgewinden und das Lesen von DataMatrix-Codes, wobei der Code, unabhängig von seiner Ausrichtung, immer korrekt abgebildet wird. Je kleiner der Objektdurchmesser, desto größer die Objekthöhe, die inspiziert werden kann, während dünne Objekte über einen größeren Durchmesser inspiziert werden können.

Für kleine Gegenstände (bis zu 7,5 mm Durchmesser) stehen katadioptrische Linsen zur Verfügung. Diese Linsenkonstruktion erlaubt die Inspektion der Objektseiten über einen weiten Betrachtungswinkel, der sich maximal 45 ° annähert, und ermöglicht damit die Untersuchung komplexer Objektgeometrien aus einer bequemen Perspektive.

Objektive zur Hohlrauminspektion bieten eine hochauflösende Ansicht von Objekten mit Löchern, Hohlräumen und Behältern und sind speziell dafür ausgelegt, sowohl den Boden eines Hohlraums als auch dessen senkrechte Wände abzubilden. Dank des großen Blickwinkels (>82°) eignen sich diese Objektive für eine große Bandbreite an Objektdurchmessern und -dicken und sind somit ideal für die Prüfung verschiedenster Objektformen wie z.B. Zylinder, Kegel, Löcher, Flaschen oder Prüfobjekte mit Gewinde.

Eine weitere innovative optische Konfiguration bieten die PolyView-Objektive, die gleichzeitig acht verschiedene Ansichten von den Außen- und der Oberseite eines Prüfobjektes liefern. Ein großer Bildwinkel (45°) ermöglicht die Prüfung der Objektseiten (z.B. Gewinde einer Schraube oder einer Mutter) mit nur einer Kamera. Sowohl die Außenwände als auch die Oberseite eines Objekts können gleichzeitig abgebildet werden. Die Innenseiten von Hohlkörpern können komplett von außen inspiziert werden. Die Abbildung der Innenwände und des Bodens eines Hohlraums ist genauso möglich wie eine kombinierte Ansicht der Innen- und Außenseiten des Objekts.

Für jede Applikation die passende Optik

Es gibt eine Vielzahl von optischen Konfigurationen, die sich für den Einsatz in Bildverarbeitungssystemen zur Lösung von Inspektionsaufgaben eignen. Jedoch konnten im Rahmen dieses Artikels nur einige davon näher betrachtet werden. Auch auf Themen wie Objektive mit motorisierter Steuerung, Blendensteuerung, die Verwendung von Filtern oder Überlegungen zu Objektivanschlüssen konnte aus Platzgründen nicht eingegangen werden.

Die Auswahl der passenden Optik sowie aller anderen notwendigen Bildverarbeitungskomponenten erfordert umfangreiches technologisches Know-how sowohl in Bezug auf die technischen Anforderungen einer Applikation als auch in Bezug auf die technologischen Möglichkeiten bei der Umsetzung.

Diesen Herausforderungen begegnet STEMMER IMAGING, Europas führender Anbieter von Bildverarbeitungstechnologien und Dienstleistungen, mit der idealen Kombination aus innovativen Produkten, kompetenter Beratung und umfassendem Service. Aus über 5000 Produkten allein im Bereich Optik lässt sich für jede Bildverarbeitungsaufgabe die richtige Lösung finden.

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